น้ำมันเชื้อเพลิงจากยีสต์! ผลงานวิจัยคณะวิทย์ฯ จุฬาฯ จ่อขยายการผลิตเพื่ออุตสาหกรรมอากาศยาน

นักวิจัย จุฬาฯ ใช้หญ้าอาหารสัตว์ เลี้ยงจุลินทรีย์เพื่อนำไขมันที่ได้มาเปลี่ยนเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยาน ตั้งเป้าขยายการผลิตทดแทนน้ำมันจากปิโตรเลียม ลดผลกระทบทางสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม

ยีสต์เป็นจุลินทรีย์ที่เป็นส่วนประกอบสำคัญในอาหารและเครื่องดื่มหลายประเภท อาทิ ขนมปัง เครื่องดื่มแอลกอฮอล์ แต่ในอนาคต ยีสต์จะเป็นกำลังสำคัญในการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงทดแทนพลังงานที่มาจากฟอสซิล

ปัจจุบัน นักวิจัยจากคณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย กำลังเร่งพัฒนาเทคโนโลยีขยายขนาดการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงชีวภาพอากาศยานจากยีสต์ ซึ่งเป็นการต่อยอดผลสำเร็จจากการวิจัยพบยีสต์สายพันธุ์ที่มีศักยภาพสูงในการผลิตไขมันเพื่อนำมาผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยาน โดยในกระบวนการผลิตน้ำมันจากยีสต์นั้น ยังได้ใช้ของเหลือทิ้งจากภาคการเกษตรมาเป็นอาหารเลี้ยงจุลินทรีย์ นับเป็นการลดปัญหาจากเผาและสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับของเหลือทิ้งภาคการเกษตรอีกทางหนึ่งด้วย

ที่มางานวิจัยผลิตน้ำมันจากยีสต์

น้ำมันปิโตรเลียมเป็นแหล่งพลังงานเชื้อเพลิงสำคัญในโลกปัจจุบัน ทั้งในภาคอุตสาหกรรมต่าง ๆ และการคมนาคมขนส่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุตสาหกรรมอากาศยาน รายงานจากกรมธุรกิจพลังงาน กระทรวงพลังงาน (พ.ศ. 2562) ระบุว่าประเทศไทยมีปริมาณการนำเข้าเชื้อเพลิงในกลุ่มน้ำมันอากาศยานเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก โดยในปี พ.ศ. 2559 ประเทศไทยนำเข้าเชื้อเพลิงในกลุ่มน้ำมันอากาศยาน  84.9 ล้านลิตร แต่เพียง 4 ปีต่อมา ในปี พ.ศ. 2562 ปริมาณการนำเข้าเชื้อเพลิงในกลุ่มน้ำมันอากาศยานทะยานสูงขึ้นถึง  376.3 ล้านลิตรต่อปี

ปริมาณการนำเข้าเชื้อเพลิงที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดนี้สะท้อนความต้องการในอุตสาหกรรมที่กำลังเติบโต และความจำเป็นอย่างยิ่งยวดที่จะต้องค้นหานวัตกรรมเพื่อผลิตพลังงานทดแทน ที่เป็นมิตรต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อมมากกกว่าน้ำมันปิโตรเลียม

คณะนักวิจัยนำโดย ศาสตราจารย์ ดร.วรวุฒิ จุฬาลักษณานุกูล และผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.ชมภูนุช กลิ่นวงษ์ จากภาควิชาพฤกษศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย จึงได้ดำเนินโครงการวิจัย “การพัฒนาเทคโนโลยีการขยายขนาดการผลิตน้ำมันจากยีสต์เพื่อสังเคราะห์น้ำมันเชื้อเพลิงชีวภาพอากาศยาน” (Development of scaling-up technology for production of microbial lipid for bio jet fuel synthesis)

“คณะผู้วิจัยประสบความสำเร็จในการคัดแยกยีสต์ชนิด Saccharomyces cerevisiae ที่มีศักยภาพในการสะสมไขมันสูง สายพันธุ์ CU-TPD4 และได้นำมาผลิตเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยาน  ชีวภาพ เพื่อรองรับความต้องการด้านพลังงานที่เพิ่มสูงขึ้นในอนาคต หากเราสามารถพัฒนาศักยภาพของประเทศในด้านการผลิตเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพ จะมีส่วนช่วยเศรษฐกิจของประเทศให้เจริญก้าวหน้าไปด้วย” ศ.ดร.วรวุฒิ กล่าวถึงความความสำเร็จและเป้าหมายของการวิจัย

โครงการวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจาก สำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) โดยรับทุนในกลุ่มเรื่องแผนงานพลังงานทดแทน ภายใต้โครงการความร่วมมือระหว่างไทย-จีน กรอบวิจัยพลังงานทดแทน (Renewable Energy) แผนงานวิจัยการสังเคราะห์ไขมันและการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานจากชีวมวล Microbial lipid synthesis and bio-refinery of jet fuel from biomass resource ซึ่งนอกจาก ศ.ดร.วรวุฒิ และผศ.ดร.ชมภูนุช แล้ว คณะผู้วิจัยยังประกอบด้วยนิสิตปริญญาเอกจากภาควิชาพฤกษศาสตร์ จำนวน 3 คน ได้แก่ ดร.ณัฏฐา จึงเจริญพานิชย์ ดร.วรรณพร วัฒน์สุนธร และนายธนาพงษ์ ตั้งวนาไพร ร่วมด้วย ดร. สุริษา สุวรรณรังษี จากศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ และกลุ่มนักวิจัยจีน ได้แก่ Prof. Zhongming Wang และ Prof. Wei Qi จาก Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Science (GIEC)

ยีสต์ศักยภาพสูงผลิตน้ำมันเชื้อเพลิง

ศ.ดร.วรวุฒิ เล่าว่านักวิจัยได้คัดแยกยีสต์จากตัวอย่างดินทั้งหมด 53 ตัวอย่าง จากตัวอย่างดินที่เก็บในเขตพื้นที่จังหวัดแม่ฮ่องสอน และจังหวัดใกล้เคียง และได้ค้นพบยีสต์ที่มีศักยภาพในการสะสมไขมันสูง สายพันธุ์ CU-TPD4 ซึ่งจัดเป็นยีสต์ชนิด Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) ซึ่งในเวลานั้น ไม่เคยมีรายงานมาก่อนว่ายีสต์ชนิดนี้สามารถผลิตน้ำมันได้ในปริมาณสูงเทียบเท่ายีสต์ผลิตน้ำมันชนิดที่มีอยู่

“ยีสต์ S. cerevisiae จัดเป็นจุลินทรีย์ที่มีความปลอดภัยสูง มีประวัติการใช้มาอย่างยาวนานและได้รับการยอมรับว่ามีความปลอดภัย (Generally Recognized as Safe, GRAS) ซึ่งมีการใช้ในอุตสาหกรรมอาหารอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน เช่น อุตสาหกรรมการผลิตเบียร์ และอุตสาหกรรมการผลิตขนมปัง แต่ยังไม่เคยมีรายงานการนำยีสต์สายพันธุ์ดังกล่าวมาใช้เพื่อการผลิตไขมันในระดับอุตสาหกรรม”

ศ.ดร.วรวุฒิ อธิบายว่ายีสต์สายพันธุ์ที่พบนี้สามารถผลิตและสะสมไขมันในเซลล์ได้สูงถึงร้อยละ 20-25 ของน้ำหนักเซลล์แห้ง ซึ่งคุณสมบัติของไขมันดังกล่าวเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการพัฒนาไปเป็นพลังงานชีวภาพอย่างไบโอดีเซล

“การใช้ยีสต์ผลิตน้ำมันเป็นวัตถุดิบตั้งต้นในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพมีข้อได้เปรียบมากกว่าการใช้พืชเป็นแหล่งของน้ำมันหลายประการ ได้แก่ วงจรชีวิตของยีสต์สั้น สามารถใช้อาหารในการเจริญเติบโตได้หลากหลาย ราคาถูก ใช้แรงงานน้อย สามารถเพาะเลี้ยงได้ทุกช่วงเวลา ไม่ขึ้นกับฤดูกาล ง่ายต่อการขยายขนาดการผลิต และไขมันที่ผลิตได้มีลักษณะเดียวกับที่ผลิตได้จากพืช ซึ่งเมื่อนำมาใช้ประโยชน์ มีความปลอดภัยกับมนุษย์และสิ่งแวดล้อม”

นอกจากนี้ ศ.ดร.วรวุฒิ กล่าวเสริมข้อได้เปรียบสำคัญอีกประการของการผลิตน้ำมันจากยีสต์ว่า  “เมื่อมีการพัฒนากระบวนการและนำยีสต์ดังกล่าวไปใช้ในระดับอุตสาหกรรม การเพาะเลี้ยงที่อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียส จะสามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายในกระบวนการหล่อเย็นเพื่อควบคุมอุณหภูมิถังหมักลงได้”

งานวิจัยนี้ได้รับความสนใจจากนักวิจัยทั้งในไทยและต่างประเทศ เช่น Hamburg University of Technology (TUHH) ประเทศเยอรมนี และ Toulouse Biotechnology Institute (TBI) ประเทศฝรั่งเศส ที่เห็นโอกาสในการขยายการผลิตหัวเชื้อยีสต์ CU-TPD4 เพื่อใช้ในการผลิตน้ำมัน ควบคู่กับการผลิตขนมปัง แอลกอฮอล์ และผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ด้านอาหาร

เลี้ยงยีสต์ด้วยวัสดุเหลือทิ้งการเกษตร

นอกจากจะได้พลังงานที่สะอาดกว่าพลังงานฟอสซิลแล้ว กระบวนการเลี้ยงยีสต์เพื่อผลิตน้ำมันยังได้ใช้ประโยชน์จากของเหลือทิ้งทางการเกษตร อันเป็นส่วนหนึ่งของการขับเคลื่อนเศรษฐกิจหมุนเวียน และลดปัญหามลพิษทางอากาศที่มาจากการเผาเศษวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร

“นอกจากหญ้าอาหารสัตว์แล้ว วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรและชีวมวลประเภทลิกโนเซลลูโลสประเภทต่าง ๆ สามารถนำมาใช้เป็นแหล่งคาร์บอนเพื่อเป็นอาหารเลี้ยงเชื้อให้แก่ยีสต์สะสมไขมันได้ ยกตัวอย่างเช่น ฟางข้าว ซังข้าวโพด ชานอ้อย รวมทั้งเปลือกผักและผลไม้ต่าง ๆ ได้แก่ เปลือกกล้วย เปลือกทุเรียน เปลือกถั่ว โดยเฉพาะฟางข้าว ซึ่งเป็นวัสดุเหลือทิ้งปริมาณมากของประเทศไทย จึงนับเป็นการใช้ของเหลือทิ้งทางการเกษตรให้เกิดประโยชน์อีกทางหนึ่ง”

นอกจากนี้ ยังมีรายงานการนำของเหลือทิ้ง เช่น เศษกระดาษสำนักงาน และน้ำทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรม ได้แก่ น้ำทิ้งจากโรงงานผลิตกระดาษ น้ำทิ้งจากโรงงานผลิตแป้งสาคู และน้ำทิ้งจากบ้านเรือน มาใช้เป็นแหล่งคาร์บอนเช่นเดียวกัน โดยมีจุดประสงค์หลักในการลดต้นทุนการผลิต เพื่อกำจัดของเสีย และเพิ่มมูลค่าของวัสดุเหลือทิ้งดังกล่าวให้เกิดประโยชน์มากยิ่งขึ้น

ขั้นตอนการผลิตไบโอดีเซลด้วยน้ำมันที่ผลิตได้จากยีสต์สะสมไขมัน

ปรับปรุงสายพันธุ์ยีสต์ ขยายการผลิตน้ำมัน เพิ่มมูลค่าอุตสาหกรรมอาหารและยา

การเจริญเติบโตของยีสต์และปริมาณน้ำมันที่ผลิตได้จากยีสต์ในสเกลการผลิตในห้องปฏิบัติการนั้น ยังไม่เพียงพอต่อความต้องการเชื้อเพลิงในตลาด จึงมีความจำเป็นที่จะต้องพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อขยายขนาดกำลังผลิต

“เรื่องนี้สามารถทำได้ด้วยวิธีการต่าง ๆ เช่น การปรับปรุงสายพันธุ์ของยีสต์สะสมไขมัน เพื่อเพิ่มความสามารถในการผลิตและสะสมไขมันให้ได้มากขึ้น หรือปรับปรุงให้ยีสต์สามารถทนทานต่อสภาวะที่ไม่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตได้มากขึ้น เช่น สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นในกระบวนการผลิต เพื่อลดค่าใช้จ่ายในการหล่อเย็น หรือสามารถทนต่อสารพิษที่เกิดขึ้นจากกระบวนการปรับสภาพวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรได้มากขึ้น เพื่อลดขั้นตอนและค่าใช้จ่ายในกระบวนการ Detoxification เป็นต้น”

ศ.ดร.วรวุฒิ กล่าวว่าปัจจุบันการวิจัยมุ่งเน้นที่จะเพิ่มระดับการผลิตน้ำมันของยีสต์ S. cerevisiae ในระดับขยายขนาดที่สูงขึ้น โดยทำการดัดแปลงพันธุกรรม เพิ่มการแสดงออกของเอนไซม์ Acetyl-CoA carboxylase เป็นสายพันธุ์ TWP02 ทำให้ผลิตไขมันได้เพิ่มสูงขึ้น หลังจากนั้นจึงได้ศึกษากระบวนผลิตน้ำมันจากเซลล์ยีสต์ในระดับขยายขนาด โดยใช้บริการเครื่องมือวิจัยจากห้องปฏิบัติการวิศวกรรมชีวภาพและการหมักแม่นยำ (Bioengineering and precision fermentation laboratory) ของฝ่ายวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพและวัสดุ สถาบันนวัตกรรม บริษัท ปตท. จำกัด (มหาชน) ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการชั้นนำของประเทศไทยทางด้านกระบวนการทางชีวภาพและกระบวนการหมัก มีความพร้อมของเครื่องมือวิจัยทางด้านเทคโนโลยีชีวภาพตั้งแต่กระบวนการต้นน้ำที่ใช้ในการคัดเลือกและปรับปรุงสายพันธุ์จุลินทรีย์ กระบวนหมักตั้งแต่ระดับห้องปฏิบัติการขนาดถังหมัก 2 ลิตร ไปจนถึงระดับหน่วยวิจัยต้นแบบขนาดถังหมัก 20,000 ลิตร รวมไปถึงกระบวนการปลายน้ำที่ใช้ในการแยกเซลล์จุลินทรีย์ การทำให้เซลล์ของเชื้อจุลินทรีย์แตกด้วยความดัน การเพิ่มความเข้มข้นและความบริสุทธิ์ของสารชีวภัณฑ์ ตลอดจนการขึ้นรูปสารชีวภัณฑ์ในรูปแบบแห้งด้วยความร้อนหรือความเย็น ซึ่งศักยภาพของห้องปฏิบัติการดังกล่าวมีส่วนช่วยทำให้โครงงานวิจัยนี้สามารถประเมินศักยภาพสำหรับการออกแบบกระบวนผลิตเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพสำหรับอากาศยานที่เหมาะสมต่อไปได้

ท้ายที่สุด ศ.ดร.วรวุฒิ กล่าวว่านอกจากการผลิตไบโอดีเซลและเชื้อเพลิงอากาศยานแล้ว การปรับปรุงสายพันธุ์ของยีสต์สะสมไขมันให้สามารถผลิตกรดไขมัน เช่น กรดไขมันไม่อิ่มตัว ซึ่งเป็นไขมันชนิดที่มีความต้องการในตลาดและมีมูลค่าสูง ยังสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ด้านอาหาร เครื่องสำอาง และยา ที่สามารถตอบโจทย์ธุรกิจทางด้าน Life Science อย่างยั่งยืนได้อีกด้วย